Shell粉煤气化炉的分析与模拟

华东理工大学学报Vol. 29 No.2202Journal of East China University of Science and Technology2003-04研究简报文章编号:1006- 3080( 2003)02-0202-04Shell粉煤气化炉的分析与模拟王辅臣”，龚欣，代正华，周志杰，于遵宏 .(华东理工大学洁净煤技术研究所，上海200237)摘要:以受限容器内多喷嘴对置射流下的流体流动特征为基础,分析了Shell粉煤气化炉内的流场特征,发现炉内存在5个特征各异的流动区域，即射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区。从气化炉内主要的化学反应着手,结合流动、混合与化学反应的相互影响,分析了炉内各流动区域的化学反应过程,建立了气化炉的数学模型,对气化过程进行数学模拟，预测了工艺条件对气化结果的影响。结果表明,有效气(CO+ H2)产率随氧煤比的变化有-最佳值,随蒸汽煤比不同,对应的氧煤比在0.54Nm2/kg~0.56Nm2/kg之间。有效气产率随蒸汽煤比的升高而增加。关键词:粉煤;气化炉;数学模型;模拟中图分类号:TQ546.1文献标识码:AProcess Analysis and Simulation of Shell Pulverized Coal GasifierWANG Fu-chen*，GONG Xin DAI Zheng-hua，ZHOU Zhi-jie，YU Zun -hong(Institute of Clean Coal Technology ECUST，Shanghai 200237, China)Abstract:In this paper, the fluid flow characteristics of Shell pulverized coal gasifer was analysed ba-sed on flow pattern of multi- opposed-burner jet in confined vessel. The results show that there are fiveflow regions possessed different characteristics in the gasifier, which are jet flow region, impinging jetregion, impinging jet developing stream region, re- circulation stream region and tube stream region. Thechemical reactions governing the process were analysed combined with fluid flow patterns. A Mathematicmodel has been presented for Shell gasifer. The industrial gasifier simulation have been made and theeffects of operation conditions on gasification have been predicted using the model. The results show thatthere is a optimum yields of effective gases (CO + H2) along with the ratio of oxygen to coal. The optimumratio of oxygen to coal is 0. 54Nm*/kg ~0.56Nm/kg in different ratios of steam to coal. The yields ofeffective gases (CO+ H2) increases along with the increasing of ratio of steam to coal.Key words :pulverized coal; gasifier; mathematic model; simulation煤的气化是洁净煤技术领域的主要研究方向之料中国煤化工Shell气流床气化法是一,备受各国学术界和工程界的重视。以粉煤为原MYHCNMHG术中最有竞争力的技术.基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(G1999022103);高等学之一,它涉及高温、高压、非均相条件下的流体流动以及与之相关的传递过程规律和复杂的化学反应过校骨干教师资助项目收稿日期:2002-05-14作者简介:王辅臣(1966-),男,甘肃岷县人,教授,博士,主要从事洁.目前,处理能力为2 000t/d 煤,配套253MWe净煤技术研究.联合循环发电厂的Shell 气化装置已在荷兰第2期王辅臣等:Shell粉煤气化炉的分析与模拟203Buggenum建成运转。国内将引进Shell粉煤气化技1.2.1 -次反应区 -次反应区包括射流区、撞击术用于石脑油为原料的合成氨厂的改造,采用Shell区及撞击扩展流区的一部分。该区以煤中挥发分与粉煤气化技术的联合循环发电示范装置的建设也正氧气的燃烧反应为主,也伴有射流卷吸的回流气体在酝酿之中。本文对Shell粉煤气化炉进行了分析中CO和H2的燃烧反应。及模拟,在消化、吸收国外先进技术的基础上自主开1.2.2 二次反应区 二次反应区包括管流区和撞发我国粉煤气化技术。击扩展区的一部分。1.2.3 - 次与二次反应共存区- 、二次反应共存1过程分析区主要是回流区。因射流的卷吸作用和湍流扩散，回流区将与射流区和撞击流扩展区进行质量交换,其1.1炉内流体流动特征中以卷吸为主,但因湍流的随机性,也将有个别氧气Shell粉煤气化技术的核心是多喷嘴对置射流微团经湍流扩散作用而进入回流区中。因此在回流在炉内高温、高压、非均相条件下形成的流场。作者区中既有-次反应,亦有二次反应,但以二次反应为及合作者曾采用先进的激光多普勒动态粒子分析仪主。同样,该区中的反应除碳与H2O和CO2的气化(Dual PDA)研究了冷态下受限容器中多喷嘴对置反，应外均受微观混合过程的控制。射流的流体流动特征,据此，可将Shell粉煤气化1.3停留时间分布对气化过程的影响炉内的流体流动过程分为特征各异的5个区域,即停留时间分布是微观的混合过程在宏观上的表射流区、撞击区、撞击扩展流区、回流区和管流区(见现。宏观混合程度反映物料参与反应的可能性,而微图1)。观混合程度则反映物料参与反应的程度。因此,可用宏观混合时间尺度作为物料是否充分参与反应的判据2数学模型2.1气相物料的混合模型气相物料的混合模型参照文献[2]。从总体上讲,因受停留时间分布的影响,停留时间低于宏观或微观混合时间尺度的这一部分物料将无法充分反应,其宏观表现似乎是化学反应未达到平衡。在进行气化炉气相物料的计算时,必须从停留时间分布的角度出发,考虑到微观混合与宏观混合的时间尺度[3]。2.2残炭量的计算模型图1Shell气化炉内流体流动过程示意图气化炉出口的残炭量与煤颗粒在炉内的经历有Fig. 1 Diagram of fluid flow process in Shell gasifier关。从机理上讲,粉煤在炉内的气化过程经历了颗粒. I - Jet stream region; 1- Impinging stream region;的湍流弥散、颗粒的对流加热、颗粒的辐射加热、颗I一Impinging developing stream region;粒中挥发分的析出、挥发产物的气相反应、残炭的多N - Re-circulation stream region; V一Tube stream region相反应、灰渣的形成等阶段。由于每个阶段的速率不1.2 反应特征同,因此上述过程对颗粒反应的影响也不同,颗粒的气化炉内的化学反应可分为一次反应(即燃烧弥中国煤化工密切相关,而炉内主要反应)和二次反应(即C、CH4等的气化反应和逆变组YH.CN MH G观混合过程所控制。因换反应),某个流动区内可能发生的化学反应是以-此,残灰重的计异既婴考虑炉内的流动特征,又要涉次反应为主、还是以二次反应为主,与该区内的流体及炉内的宏观混合(影响浓度分布和停留时间分布)流动特征及与之相应的混合过程有关。根据不同特和微观混合状况。据此,作者提出了粉煤气化过程中点,炉内有3个化学反应特征各异的区域,即一次反气化炉出口残炭量占煤中总有效成分量的分率的计应区、二次反应区和一.二次反应共存区。算式[204华东理工大学学报第28卷V,R.Yr=|。 (1- V.)|1+R- Rt E(t)dt(1)3模拟结果及讨论其中terin=(R.+V,R.)/RR。当脱挥发分的速率远大于残炭的气化速率时，气化炉的操作条件和煤种的元素组成及热值见R2/R,→0tm→1/R。,从而上式简化为表1。模拟值与实验值的比较见表2。表3为工艺条件对气化结果的影响。由表可见，Yr=(1一V,)(1R.t)E(t)dt氧煤比每升高0.01Nm*/kg,气化炉出口温度升高约2.3基础热力学数据计算模型50C;有效气产率随氧煤比的变化有-最佳值,随蒸气化过程是在高温高压下进行的,有关气体的.汽煤比不同，对应的氧煤比为0.54Nm*/kg热力学性质按实际气体来处理。本文模型中涉及的0.56Nm2/kg,但实际操作中氧碳比的选择还要考虑主要热力学数据包括气体热容、气体混合物中组分到煤的灰熔点;蒸汽煤比增加，比氧耗增加,水分的逸度系数、反应平衡常数等。限于篇幅,其计算模解率降低。H,含量随氧煤比的变化有一最高值，型不再赘述,可参见文献[2]。表1煤的性质及操作条件Table 1 Properties of coal and operation conditionElement analysis (% )VH/>/roe/r'sc/CH_SOAsh(kJ. kg-1)MPa(Nm3●kg-1)__ (kg. kg-)75.504.971.43.0.879.127.9129 974.03. 000. 5810.126表2模拟值与实 验值的比较Table 2 Comparision between experimental value and simulation value4Gas yield/Heat effective/Toun/CH2CO CO2H2S COSCH4N2ArNH3 HCN H2O (Nm3.kg-)(LHV%)Operation 1 400~ 0. 310 0.0.01000.00050.00800.0170 2. 283. 30.value1500.0. 62100.00230.031 0Simulation0. 30580.011 4.0. 00020. 030 00.002 30. 0206.1 501.02. 1883. 000.618 90. 00250. 0001表3工艺条件对气化结果的影响Table 3 Effect of technology condition on gasification resultsTou/Pog/o。/(kg. . kg-1) (Nm3 ●kg-1)(Nm3●kg-1)Sa(%)(Nm3 . Nm-3)COCO2CH,0. 531 276.21.994 295.68266. 10.312 40.631 40.002 40.012 30.541 299.02.025 693.21267. 00.318 50. 62980. 00350. 006 40. 551 334. 92.040 289. 12270. 10.320 90.628 90.00530. 002 80.56.1 383. 52.038 583.31275. 30.319 80.62880.00770.001 10. 130.571 439.62.027 476. 33281.90.316 70.62920.010 40. 00040. 581 499.52. 012268. 66.289. 10.312 70. 62990.013 10.00020. 591 561.41.995 260. 59296. 60.30820.630 90.015 80. 601 624.91.977352. 24304. 50.303 60.632 00.018 50.611 690. 41.958943. 70312.50. 29870.63330.021 20.531256. 92.013 493. 23.263. 50.626 60.004 00.009 6.1285.92.036490. 25265. 60.322 60. 62550.00540. 00501 326.52.044 485. 85中国煤化工0. 00740.002 20. 561 377.02. 039680. 110. 00980. 00090.140. 571 433.22.027 573. 45YHCNMHG,0.012 50. 000 41 492.42.012066. 230.314 10.626 50.015 1o. 0002.1553.41.994 958. 65296. 70. 30960. 62760.017 80.601616. 01.977 1304.50.304 90.628 80.020 50. 000 1.1 680.31. 958742. 86312.60.30010.63020.023 1第2期王辅臣等:Shell粉煤气化炉的分析与模拟205续表3rse/rac/Tou/Peqn/P(kg●kg-1) (Nm3●kg-1)C(Nm3●kg-1)Sa(%)(Nm3●Nm- -3)H2CO2CH0. 531 243. 32. 025890. 62.261.90. 32310.622 10. 006 00.007 90.541 276.52. 042987. 36264. 70.32570.621 40. 00750. 00410. 551 319.72.046 882. 87269. 20.32560.621 20.00960.001 80.56.1 370.92.040177. 28275. 10.32320.621 60.012 00.0008.0. 150. 571 426.92.027570. 93281.8 .0.319 70.62230.014 50.000 30. 581 485.52.011 864. 10289. 10.315 50. 62320.017 20. 000 20.59.1 545.61.994 756. 97296. 70.311 00.62440.01980. 000 10. 601 607.21.976849.62.304.50.30630.62560.0224.0. 611670. 41. 9585312. 6.0.301 40. 62710.025 01 233.32.033988. 04.260. 9.0.326 70. 61780. 008 00.006 71 269. 02.047 084. 66264. 20.328 30.617 40.00970.551 313. 72.048280. 18269.00.327 50.617 50.011 70.001 61 365. 22.040474. 770.324 80.618 00.01410. 00070. 161420.72.027 368. 71281. 90.321 10.61890.016 60. 00031 478.72.011 662. 240.316 90.619 90.019 20.000 10. 591 538.01.994555. 490.312 30.62110.02170. 00010.601 598.71.976 6304. 60.307 60.622 50.024 30.611660.81. 958341.47312.60.30270.62400.02691 225. 42. 039 485. 59260.20. 329 70.61360.01020. 005 91 262.82.049 782. 17263. 90. 33050.613 50.01180.003 11 308. 32.049 177. 76268. 90. 32920.613 90.01390.00140. 561359.8.2.0405.72.54275. 00.326 30.61450.016 20.000 70. 170.571 414.92.027 266.75281.90. 32250.615 50.018 70.00031 472.12.011 460. 58289.20.318 20.61660.021 21 530.61.994354. 17296. 80.313 70.617 90.02371590. 41.976 447.59304.60.3089.0.619 40.026 21 651.51.958 140.89312. 70. 304 00.620 90. 028 7CO含量随氧煤化的变化有-最低值,CO2 含量随0. 54Nm*/kg~0. 56Nm3 /kg。有效气产率随蒸汽煤氧煤比的升高而升高。氧煤比超过0.58Nm3 /kg时，比的升高而增加。CH,含量基本趋于不变,这是反应在高温下受混合影响的必然结果。符号说明:由表3也可见,蒸汽煤比每升高0.1kg/kg,气化炉出口温度降低约7C;有效气产率随蒸汽煤比E(t)一停留时间分布密度函数. 比氧耗,Nm/Nm3的升高而增加。比氧耗和蒸汽分解率随蒸汽煤比的有效气产率,Nm3/kg升高而下降;H2和CO2含量随蒸汽煤比的增加而升oue-- 氧碳比,Nm2/kg高,CO和CH4含量随蒸汽煤比的增加而降低。蒸汽煤比,kg/kgRv-煤脱挥发分速率,kg/(kg.s)4.结论Rc-残炭反应速率,kg/(kg.s)蒸汽分解率,%(1)基于Shell粉煤气化炉内流体流动特征,对平均停留时间,steri-生成残炭的临界停留时间,s.Shell粉煤气化过程进行了分析,建立了气化炉的数To; 气化忙出口温庶学模型。对粉煤气化炉的模拟结果表明,计算值和实中国煤化工验值吻合良好。CNMH G(2)研究了工艺条件对Shell粉煤气化炉气化Yτ-残炭量占煤中总有效成分量的分率结果的影响。结果表明,有效气产率随氧煤比的变化(下转第216页)有一最佳值,随蒸汽煤比不同,对应的氧煤比在216华东理工大学学报第29卷水层用60mL乙醚分两次萃取,合并的乙醚层用的活泼性,反应必须在- 70 °C进行,否则主要产物Na,CO,溶液洗涤3次,以除去醋酸，然后用无水将是3-溴噻吩在2-位的偶联物，因先生成的3- 噻吩Na2SO,干燥,蒸馏除去乙醚,得到18g 3-(3-噻吩甲锂和3-溴噻吩在2-位偶联速度快于n-丁基锂和3-酮)噻吩粗产物,m.p.76 °C~80°C,产率93%。用溴噻吩的置换反应[8]。作者在3-噻吩锂、3-噻吩醛的甲醇重结晶精制，得到针状晶体产物16g,m. p.制备中,曾控制温度高于一50 °C,结果产物的红外72 °C~73 °C(文献值72 °C~73 °C)[6]。红外光谱主光谱显示,噻吩2- 醛的1 673cm- '特征峰明显,噻吩要吸收峰3100cm-'(w),2 920cm -1(s),2850cm ~ 13-醛1 691cm-l峰很小，说明主要产物为2-位取代(s), 1 670cm-1 (m), 780cm-1 (m)。H-NMR噻吩。同样,制备双噻吩叔醇也应在一70 °C进行。(CDCl:)δH:7.38(5,5'-H),7. 60(4,4'-H),8. 01(2,2'-H)。文献值分别为7. 36,7. 59,7. 99[7]。.参考文献:2讨论[1] Rrohlich J. Subs tituted heterocyclic compounds by selectivecontrol of halogen. dance reactions[J]. Prog Heterocyel Chem，1994.6:1-35.在目标产物3-(3- 噻吩甲酮)噻吩(1)的合成过[2] Gunattunga S R, Jones G W, Kalaji M, et al. Synthesis and程中,3-溴噻吩是关键的一个重要中间体。为了制备characterisation of low band gap polymers [J ]. Synthetic纯的3-溴噻吩,本工艺路线采取了噻吩先溴化生成多溴化噻吩,再去掉两个a-溴的两步反应法。这是.[3] Ferraris J P, Lambert T L. Narrow bandgap polymers[J]. J由噻吩分子的特殊结构决定的。噻吩的亲电取代反Chem Soc Chem Commun,1991.(18):1 268-1 270.[4] Gronowitz s, Eriksson B. On the reactions of cyanothiophenes应首先发生在a位,当两个a位都被占据后,取代反with organolithium[J]. Arkiv Kemi，1963,21:335-341.应才在β位发生,因此用一般的取代反应不能得到[5] 陈寿山,张正之,王序昆,等.金属有机化合物合成手册[M].北纯的3-取代噻吩衍生物。去a-溴的方法主要有格利京:化学工业出版社，1986.雅反应(夹带法)[8],卤素-有机锂置换法'8],Zn/醋酸[6] David R C. Handbook of Chemistry and Physics，73rd[M ].US: CRC Press, 1991.法9。夹带法需要大量的溴乙烷,溶剂乙醚需无水处理;置换法需先制备得到n-丁基锂,需无水无氧操[7] Rois B，Lambert R. Confromational analysis of organiccarbonyl componds[J]. J Chem Soc Perkin Trans 1，1989，作。本文采用Zn/醋酸法,该法反应条件温和,且前(11):1 741-1 784.一步溴化反应生成的四溴噻吩副产物也能转化为[8] Gronowitz S. Substituent effects in thiophenes with particular3-溴噻吩,产率大于60%,这样在制备2,3,5-三溴regard to 3-substituted compounds[J]. Arkiv Kemi,1959, 13:噻吩时可用过量的溴反应,提高溴化反应的产率。295-315.[9] Gronowitz S. New syntheses of 3 -bromothiophene and 3, 4-3-噻吩锂(5)的制备也很关键,它由3-溴噻吩和dibromothi ophene[J]. Acta Chem Scand, 1959, 13: 1 045-n-丁基锂发生卤素-金属置换反应而制得。由于a-H1 046.(上接第205页)[2] 王辅臣.射流携带床气化过程研究[D].上海:华东理工大学，1995. .[3] 王辅臣,吴韬,于建国,等.射流携带床气化炉内宏观混合过程研究1I1.过程分析与模拟[J].化工学报, 1997.48(3):[1]刘海峰.应用小波分析研究射流与撞击流的相干结构[D].上336- 346.海:华东理工大学,1999.中国煤化工MYHCNMH G .